MongoDB数据建模小案例

MongoDB数据建模小案例

朋友圈评论内容管理

需求

社交类的APP需求，一般都会引入"朋友圈"功能，这个产品特性有一个非常重要的功能就是评论体系。

先整理下需求：

• 这个APP希望点赞和评论信息都要包含头像信息：
  1. 点赞列表，点赞用户的昵称，头像；
  2. 评论列表，评论用户的昵称，头像；

• 数据查询则相对简单：
  1. 根据分享ID，批量的查询出10条分享里的所有评论内容；

建模

不好的设计

跟据上面的内容，先来一个非常非常"朴素"的设计：

{

  "_id": 41,

  "username": "小白",

  "uid": "100000",

  "headurl": "http://xxx.yyy.cnd.com/123456ABCDE",

  "praise_list": [

    "100010",

    "100011",

    "100012"

  ],

  "praise_ref_obj": {

    "100010": {

      "username": "小一",

      "headurl": "http://xxx.yyy.cnd.com/8087041AAA",

      "uid": "100010"

    },

    "100011": {

      "username": "mayun",

      "headurl": "http://xxx.yyy.cnd.com/8087041AAB",

      "uid": "100011"

    },

    "100012": {

      "username": "penglei",

      "headurl": "http://xxx.yyy.cnd.com/809999041AAA",

      "uid": "100012"

    }

  },

  "comment_list": [

    "100013",

    "100014"

  ],

  "comment_ref_obj": {

    "100013": {

      "username": "小二",

      "headurl": "http://xxx.yyy.cnd.com/80232041AAA",

      "uid": "100013",

      "msg": "good"

    },

    "100014": {

      "username": "小三",

      "headurl": "http://xxx.yyy.cnd.com/11117041AAB",

      "uid": "100014",

      "msg": "bad"

    }

  }

}

可以看到，comment_ref_obj与praise_ref_obj两个字段，有非常重的关系型数据库痕迹，猜测，这个系统之前应该是放在了普通的关系型数据库上，或者设计者被关系型数据库的影响较深。而在MongoDB这种文档型数据库里，实际上是没有必要这样去设计，这种建模只造成了多于的数据冗余。

另外一个问题是，url占用了非常多的信息空间，这点在压测的时候会有体现，带宽会过早的成为瓶颈。同样username信息也是如此，此类信息相对来说是全局稳定的，基本不会做变化。并且这类信息跟随评论一起在整个APP中流转，也无法处理"用户名修改"的需求。

根据这几个问题，重新做了优化的设计建议。

推荐的设计

{

  "_id": 41,

  "uid": "100000",

  "praise_uid_list": [

    "100010",

    "100011",

    "100012"

  ],

  "comment_msg_list": [

    {

      "100013": "good"

    },

    {

      "100014": "bad"

    }

  ]

}

对比可以看到，整个结构要小了几个数量级，并且可以发现url，usrname信息都全部不见了。那这样的需求应该如何去实现呢？

从业务抽象上来说，url，username这类信息实际上是非常稳定的，不会发生特别大的频繁变化。并且这两类信息实际上都应该是跟uid绑定的，每个uid含有指定的url，username，是最简单的key，value模型。所以，这类信息非常适合做一层缓存加速读取查询。

进一步的，每个人的好友基本上是有限的，头像，用户名等信息，甚至可以在APP层面进行缓存，也不会消耗移动端过多容量。但是反过来看，每次都到后端去读取，不但浪费了移动端的流量带宽，也加剧了电量消耗。

总结

MongoDB的文档模型固然强大，但绝对不是等同于关系型数据库的粗暴聚合，而是要考虑需求和业务，合理的设计。有些人在设计时，也会被文档模型误导，三七二十一一股脑的把信息塞到一个文档中，反而最后会带来各种使用问题。

多列数据结构

需求

需求是基于电影票售卖的不同渠道价格存储。某一个场次的电影，不同的销售渠道对应不同的价格。整理需求为：

• 数据字段：
  1. 场次信息；
  2. 播放影片信息；
  3. 渠道信息，与其对应的价格；
  4. 渠道数量最多几十个；

• 业务查询有两种：
  1. 根据电影场次，查询某一个渠道的价格；
  2. 根据渠道信息，查询对应的所有场次信息；

建模

不好的模型设计

我们先来看其中一种典型的不好建模设计：

{

  "scheduleId": "0001",

  "movie": "你的名字",

  "price": {

    "gewala": 30,

    "maoyan": 50,

    "taopiao": 20

  }

}

数据表达上基本没有字段冗余，非常紧凑。再来看业务查询能力：

1. 根据电影场次，查询某一个渠道的价格；
   1. 建立createIndex({scheduleId:1, movie:1})索引，虽然对price来说没有创建索引优化，但通过前面两个维度，已经可以定位到唯一的文档，查询效率上来说尚可；
2. 根据渠道信息，查询对应的所有场次信息；
   1. 为了优化这种查询，需要对每个渠道分别建立索引，例如：
      • createIndex({"price.gewala":1})
      • createIndex({"price.maoyan":1})
      • createIndex({"price.taopiao":1})
   2. 但渠道会经常变化，并且为了支持此类查询，肯能需要创建几十个索引，对维护来说简直就是噩梦；

此设计行不通，否决。

一般般的设计

{

  "scheduleId": "0001",

  "movie": "你的名字",

  "channel": "gewala",

  "price": 30

}

 

{

  "scheduleId": "0001",

  "movie": "你的名字",

  "channel": "maoyan",

  "price": 50

}

 

{

  "scheduleId": "0001",

  "movie": "你的名字",

  "channel": "taopiao",

  "price": 20

}

与上面的方案相比，把整个存储对象结构进行了平铺展开，变成了一种表结构，传统的关系数据库多数采用这种类型的方案。信息表达上，把一个对象按照渠道维度拆成多个，其他的字段进行了冗余存储。如果业务需求再复杂点，造成的信息冗余膨胀非常巨大。膨胀后带来的副作用会有磁盘空间占用上升，内存命中率降低等缺点。对查询的处理呢：

1. 根据电影场次，查询某一个渠道的价格；
   1. 建立createIndex({scheduleId:1, movie:1, channel:1})索引；
2. 根据渠道信息，查询对应的所有场次信息；
   1. 建立createIndex({channel:1})索引；

更进一步的优化呢？

合理的设计

{

  "scheduleId": "0001",

  "movie": "你的名字",

  "provider": [

    {

      "channel": "gewala",

      "price": 30

    },

    {

      "channel": "maoyan",

      "price": 50

    },

    {

      "channel": "taopiao",

      "price": 20

    }

  ]

}

这里使用了在MongoDB建模中非常容易忽略的结构------"数组"。查询方面的处理，是可以建立Multikey Index索引

1. 根据电影场次，查询某一个渠道的价格；
   1. 建立createIndex({scheduleId:1, movie:1, "provider.channel":1})索引；
2. 根据渠道信息，查询对应的所有场次信息；
   1. 建立createIndex({"provider.channel":1})索引；

总结

这个案例并不复杂，需求也很清晰，但确实非常典型的MongoDB建模设计，开发人员在进行建模设计时经常也会受传统数据库的思路影响，沿用之前的思维惯性，而忽略了"文档"的价值。

物联网时序数据库建模

本案例非常适合与IoT场景的数据采集，结合MongoDB的Sharding能力，文档数据结构等优点，可以非常好的解决物联网使用场景。

需求

案例背景是来自真实的业务，美国州际公路的流量统计。数据库需要提供的能力：

• 存储事件数据
• 提供分析查询能力
• 理想的平衡点：
  • 内存使用
  • 写入性能
  • 读取分析性能

• 可以部署在常见的硬件平台上

建模

每个事件用一个独立的文档存储

{

    segId: "I80_mile23",

    speed: 63,

    ts: ISODate("2013-10-16T22:07:38.000-0500")

}

• 非常"传统"的设计思路，每个事件都会写入一条同样的信息。多少的信息，就有多少条数据，数据量增长非常快。

• 数据采集操作全部是Insert语句；

每分钟的信息用一个独立的文档存储（存储平均值）

{

    segId: "I80_mile23",

    speed_num: 18,

    speed_sum: 1134,

    ts: ISODate("2013-10-16T22:07:00.000-0500")

}

• 对每分钟的平均速度计算非常友好（speed_sum/speed_num）；
• 数据采集操作基本是Update语句；
• 数据精度降为一分钟；

每分钟的信息用一个独立的文档存储（秒级记录）

{

    segId: "I80_mile23",

    speed: {0:63, 1:58, ... , 58:66, 59:64},

    ts: ISODate("2013-10-16T22:07:00.000-0500")

}

• 每秒的数据都存储在一个文档中；
• 数据采集操作基本是Update语句；

每小时的信息用一个独立的文档存储（秒级记录）

{

    segId: "I80_mile23",

    speed: {0:63, 1:58, ... , 3598:54, 3599:55},

    ts: ISODate("2013-10-16T22:00:00.000-0500")

} 

相比上面的方案更进一步，从分钟到小时：

• 每小时的数据都存储在一个文档中；
• 数据采集操作基本是Update语句；
• 更新最后一个时间点（第3599秒），需要3599次迭代（虽然是在同一个文档中）

进一步优化下：

{

    segId: "I80_mile23",

    speed: {

        0:  {0:47, ..., 59:45},

        ...,

        59: {0:65, ... , 59:56}

    }

    ts: ISODate("2013-10-16T22:00:00.000-0500")

}

• 用了嵌套的手法把秒级别的数据存储在小时数据里；
• 数据采集操作基本是Update语句；
• 更新最后一个时间点（第3599秒），需要59+59次迭代；

嵌套结构正是MongoDB的魅力所在，稍动脑筋把一维拆成二维，大幅度减少了迭代次数；

每个事件用一个独立的文档存储VS每分钟的信息用一个独立的文档存储

从写入上看：后者每次修改的数据量要小很多，并且在WiredTiger引擎下，同一个文档的修改一定时间窗口下是可以在内存中合并的；

从读取上看：查询一个小时的数据，前者需要返回3600个文档，而后者只需要返回60个文档，效率上的差异显而易见；

从索引上看：同样，因为稳定数量的大幅度减少，索引尺寸也是同比例降低的，并且segId，ts这样的冗余数据也会减少冗余。容量的降低意味着内存命中率的上升，也就是性能的提高；

每小时的信息用一个独立的文档存储VS每分钟的信息用一个独立的文档存储

从写入上看：因为WiredTiger是每分钟进行一次刷盘，所以每小时一个文档的方案，在这一个小时内要被反复的load到PageCache中，再刷盘；所以，综合来看后者相对更合理；

从读取上看：前者的数据信息量较大，正常的业务请求未必需要这么多的数据，有很大一部分是浪费的；

从索引上看：前者的索引更小，内存利用率更高；

总结

那么到底选择哪个方案更合理呢？从理论分析上可以看出，不管是小时存储，还是分钟存储，都是利用了MongoDB的信息聚合的能力。

• 每小时的信息用一个独立的文档存储：设计上较极端，优势劣势都很明显；
• 每分钟的信息用一个独立的文档存储：设计上较平衡，不会与业务期望偏差较大；

落实到现实的业务上，哪种是最优的？最好的解决方案就是根据自己的业务情况进行性能测试，以上的分析只是"理论"基础，给出"实践"的方向，但千万不可以此论断。